長距離硬巖掘進(jìn)中部分易出現(xiàn)的問題及對策
趙向東
摘要：長距離硬巖地層中的掘進(jìn)管理是盾構(gòu)法隧道施工中一項(xiàng)非常重要的工作。所采取的施工措施是否適當(dāng)對盾構(gòu)掘進(jìn)的順利開展起著至關(guān)重要的作用。本文就長距離硬巖掘進(jìn)中容易遇到的部分問題及解決措施進(jìn)行分析介紹，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：長距離硬巖掘進(jìn) 管片上浮 刀具檢查及更換 卡殼 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)
概述
當(dāng)前，盾構(gòu)法施工已廣泛應(yīng)用于軟土地層和復(fù)合地層中修建地鐵隧道,尤其是廣州、深圳的復(fù)合地層可能遇到各種土類、巖類及其混合類。它對提高地鐵建設(shè)的速度、保證施工作業(yè)安全及施工質(zhì)量發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，同時(shí)又具有對周邊環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。
相對于在軟土地層的施工，硬巖段盾構(gòu)施工是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。長距離硬巖掘進(jìn)在近幾年的盾構(gòu)施工中日益增加而變得較為普遍，比如廣州市軌道交通3號線【市橋站北站~番禺廣場站】盾構(gòu)區(qū)間550余米全斷面微風(fēng)化花崗巖<9H>隧道的施工，其中巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度最大值達(dá)161MPa；廣州軌道交通4號線大學(xué)城專線(侖大盾構(gòu)區(qū)間) 有300多米〈9Z〉微風(fēng)化混合巖的硬巖段；廣州市軌道交通5號線【員村站~車陂站】盾構(gòu)區(qū)間400余米全斷面微風(fēng)化變質(zhì)巖<9Z>隧道的施工；廣深港客運(yùn)專線ZH-4標(biāo)【益田路~福田路站】盾構(gòu)區(qū)間600余米花崗巖弱風(fēng)化帶隧道的施工，巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度最大為153.5MPa，平均值為70 ～80MPa。
對于硬巖段盾構(gòu)掘進(jìn)施工而言，與巖層特性相適應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定、及時(shí)檢查和更換刀具等，是影響盾構(gòu)施工成本、施工進(jìn)度與盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)的重要因素。
本文結(jié)合過往硬巖施工中獲得的經(jīng)驗(yàn)，就長距離全斷面硬巖地層中施工中容易遇到的問題做出分析，并提出針對性處理措施。
硬巖掘進(jìn)中部分常見問題：
管片上浮超限
20XX年X月X日, 某區(qū)間測量人員在例行的管片姿態(tài)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)成形隧道管片在1日內(nèi)向上明顯浮動,造成相鄰管片嚴(yán)重錯(cuò)臺。隨即采取措施應(yīng)對并連續(xù)監(jiān)測，最終的管片垂直偏差如下圖所示。
 

 

1.1管片上浮的原因分析
1.1.1 刀盤開挖直徑大于管片外徑，造成的建筑空隙未及時(shí)填充
 

 

在硬巖地層中,由于隧道圍巖本身的自穩(wěn)性極好，因此在尾刷過后管片上方很少會產(chǎn)生地層損失，拱頂土體很難塌落到管片上，不會像軟土地層產(chǎn)生收斂而約束管片可能的位移。這樣在管片脫出盾尾后, 如果不及時(shí)充填此空間,管片外部非常穩(wěn)定的建筑空隙便會極大地增加管片移動的可能性,從而使脫出盾尾的管片便處于無約束的狀態(tài)。
1.1.2 單液漿產(chǎn)生的浮力和硬巖段裂隙中豐富的地下水產(chǎn)生的浮力
在盾尾同步注漿過程中，由于漿液失去流動性需要一定的時(shí)間，因此注漿時(shí)隧道上部的砂漿會在失去流動性前逐漸向下部流動，形成下部漿液多而上部漿液少的狀況，引起隧道上浮。此外，在地下水豐富地段，除砂漿外還會有一部分地下水利用管片與圍巖間的水力通道積聚在管片底部引起管片上浮。另一方面盾構(gòu)機(jī)的重量主要集中在前盾{切口環(huán)和支承環(huán))，由盾尾至后配套臺車間一段襯砌(約9～10環(huán)管片)基本無壓載，管片脫出盾構(gòu)后失去了約束。假設(shè)管片漂浮在水中，以水的比重計(jì)算1環(huán)管片所受的浮力表明：不管是常用的Φ6m管片還是Φ12.7m管片，其所受的水力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管片的自重。由此可知,隧道管片在全斷面地下水(或水與單液漿的混合液) 中,隧道管片本身就有明顯上浮的趨勢。
 

 

某區(qū)間管片上浮地段地質(zhì)縱剖面
1.1.3 當(dāng)區(qū)間線路一直為下坡時(shí),為了盾構(gòu)機(jī)栽頭和糾偏需要,在掘進(jìn)時(shí)下部千斤頂一直高于上部,使得管片長期受到1個(gè)向上的徑向分力,這也是導(dǎo)致管片上浮的一個(gè)重要因素之一。
1.2 對管片上浮控制及處理措施主要有：
1.2.1 選擇適當(dāng)?shù)淖�漿漿液及方法。解決管片上浮問題實(shí)質(zhì)上是同步注漿穩(wěn)定管片與管片上浮在時(shí)間上的競賽。比較理想的注漿方法應(yīng)是盾構(gòu)沿軸線掘進(jìn)，注漿漿液完全充填施工間隙并快速凝固形成早期強(qiáng)度，隧道與周圍土體形成整體構(gòu)造物從而達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)多個(gè)工區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)上部兩注漿孔的注漿量明顯大于下部兩孔位的漿量，有時(shí)甚至下部可以不注漿以減小管片的上浮量。
1.2.2 脫出盾尾管片二次補(bǔ)漿。由于竄漿等原因造成的單液漿損失，同步注漿不能完全填充管片外部的施工間隙，所以在管片脫出盾尾一定距離后，及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。
選用的漿液為雙液瞬凝性漿液(一般稱為水泥-水玻璃雙液漿)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，可選用的雙液漿配比：水泥漿液水灰比為0.8：1（質(zhì)量比），水玻璃溶液配比為水玻璃：水=0.6：1（體積比），水泥漿液：水玻璃溶液=1：1（體積比）。
1.2.3 控制掘進(jìn)速度。如果同步注漿過程中，漿液不能達(dá)到及時(shí)有效地固結(jié)和穩(wěn)定管片時(shí)，應(yīng)適當(dāng)控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度，一般以緩?fù)茷橐恕４_保管片脫出盾尾時(shí)形成的空隙量與注漿量平衡，盡量避免注入的漿液被水稀釋而降低漿液性能。
1.2.4 合理控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)高程。在隧道推進(jìn)中，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的管片拼裝后上浮經(jīng)驗(yàn)值，將盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)軸線高程降至設(shè)計(jì)軸線下幾個(gè)厘米，以此來抵消管片襯砌后期的上浮量，使隧道中心軸線近可能地接近設(shè)計(jì)軸線。
管片上浮后的處理比較難，一般可嘗試在隧道底部打開注漿孔泄壓，釋放管片底部的注漿漿液，然后對已上浮的管片通過注漿孔進(jìn)行二次注漿。注漿材料以雙液漿為最好，注漿壓注順序應(yīng)順著隧道坡度方向，從隧道拱頂至兩腰，最后壓注拱底。終止注漿以打開拱底注漿孔無滲水或漏漿為條件，以防止盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)后管片繼續(xù)上浮。對于上浮段長、上浮量大、超限嚴(yán)重的隧道，只有進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)坡才能滿足隧道限界的要求。
刀具損壞頻繁
2.1 刀具損壞原因分析
首先來看一下刀具破巖的原理：當(dāng)巖石受到外力作用時(shí)，在其變形很小的情況下，在其內(nèi)部產(chǎn)生從多的微觀裂紋，并逐漸形成數(shù)條可見的宏觀裂紋，一旦巖石的受力超過其臨界狀況時(shí)，宏觀裂紋便擴(kuò)展到巖石表面而最終形成破碎體，從而顯示出斷裂的性質(zhì)。
滾刀壓入巖石之后，盾構(gòu)機(jī)的強(qiáng)大推力通過刀刃，集中施加于巖石，由于刀刃有一定角度的刃角，從而使刀刃下的巖石處于三向受力狀態(tài)，由于接觸應(yīng)力很大，超過了巖石的極限強(qiáng)度而被破碎。
2.1.1掘進(jìn)中因圍巖的強(qiáng)度大，反作用力導(dǎo)致刀具受到極大震動，刀具壓塊固定螺栓在刀盤快速轉(zhuǎn)動的情況下松動，導(dǎo)致刀具在刀槽中晃動，致使刀圈受力不均，出現(xiàn)刀圈崩裂、偏磨，甚至刀具脫落，掉入土倉。

2.1.2 掘進(jìn)參數(shù)不好，如刀盤工作扭矩過大；掘進(jìn)速度不穩(wěn)定，刀具切入量時(shí)大時(shí)小，導(dǎo)致刀圈受力變化過大而受損。

2.1.3 刀具檢查不及時(shí)
2.1.4 土倉內(nèi)積累大量石渣，增加了刀具在倉內(nèi)的二次磨損。
2.1.5 發(fā)泡劑和工業(yè)水的注入量不足，導(dǎo)致刀圈潤滑不足，刀圈表面溫度過高。
2.1.6 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整過急，千斤頂推力分布不均，使得某一側(cè)刀具集中受力。
2.2 刀具損壞預(yù)防措施
2.2.1 嚴(yán)格按相關(guān)安裝標(biāo)準(zhǔn)安裝刀具。每次換刀后，安排專門人員對刀具安裝情況，如螺栓緊固，進(jìn)行復(fù)檢，對發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)處理。
2.2.2 在硬巖掘進(jìn)中必須勤檢查刀具。有條件時(shí)每掘進(jìn)完一環(huán)得用拼裝管片的時(shí)間，由專門人員入倉復(fù)緊刀具螺栓和觀察刀具受損情況，并及時(shí)更換新刀和調(diào)換刀具(不同位置的刀具磨損受力也不同)，盡量減小刀與刀之間的高低差。
2.2.3 掘進(jìn)中發(fā)現(xiàn)扭距過大、速度過快時(shí)，必須及時(shí)降低刀盤扭矩，減小掘進(jìn)速度。刀盤轉(zhuǎn)速控制在≤3rpm以下，刀具切入量控制在5～10mm/min。
2.2.4 掘進(jìn)時(shí)應(yīng)出空土倉內(nèi)渣土，開倉掘進(jìn)并應(yīng)適宜增加使用發(fā)泡劑和工業(yè)水的注入量，以降低刀具的溫度,延長刀具密封圈的壽命。
2.2.5 逐漸調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，避免姿態(tài)的急速改變。
盾構(gòu)機(jī)殼體被圍巖卡住
20XX年3月13日，某盾構(gòu)區(qū)間右線1578環(huán)掘至S=400時(shí)，掘進(jìn)困難，于是停機(jī)檢查刀具，更換滾刀12把（正面滾刀7把、邊緣滾刀5把）后，恢復(fù)推進(jìn)，當(dāng)換刀后第3環(huán)（1580環(huán)）推進(jìn)至千斤頂行程S=400mm時(shí)，盾構(gòu)機(jī)推力及速度異常出現(xiàn)明顯異常，盾構(gòu)機(jī)推力達(dá)到2000t，刀盤扭矩60～80bar，掘進(jìn)速度僅2～3mm/min，故再次停機(jī)進(jìn)行刀具檢查，14日更換2把滾刀后恢復(fù)掘進(jìn)，但掘進(jìn)依然十分困難，繼續(xù)推進(jìn)300mm（千斤頂行程S=700mm）后停機(jī)檢查刀具，發(fā)現(xiàn)刀盤邊緣滾刀磨損嚴(yán)重，并且由于開挖輪廓縮小，盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)外側(cè)密貼周邊圍巖，切口環(huán)端部已被欠挖的前方巖體阻擋無法繼續(xù)前進(jìn)。
3.1 盾構(gòu)機(jī)卡殼原因分析
刀具檢查和更換不及時(shí)，邊緣滾刀磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致開挖輪廓縮小，盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)外側(cè)密貼周邊圍巖。當(dāng)開挖輪廓小于盾殼的初期仍可通過增大推力繼續(xù)掘進(jìn)，但再掘進(jìn)一定距離后切口環(huán)端部便會被前方巖體箍緊而發(fā)生“卡殼”事故。
3.2 盾構(gòu)機(jī)卡殼預(yù)防措施
硬巖掘進(jìn)中，對邊緣滾刀的檢查和更換是工作中的重中之重。對邊緣滾刀一定要勤檢查，勤更換，必要時(shí)指定專人跟蹤。
3.2.1 保持掘進(jìn)過程每把滾刀的完好性。如果其中一把滾刀損壞勢必影響其它滾刀壽命，必須及時(shí)調(diào)換。特別要注意邊緣滾刀的損壞情況，最好做到每環(huán)都進(jìn)行檢查，對磨損超限的刀具一定要做到及時(shí)更換。不同型號的盾構(gòu)機(jī)滾刀的允許磨損量不同，以德國海瑞克φ6.28土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例，當(dāng)正面滾刀的磨損達(dá)到25～30mm時(shí)，邊緣滾刀磨損達(dá)15mm時(shí)，就應(yīng)更換，否則刀盤的超挖量將不足，引起盾構(gòu)卡殼發(fā)生。
3.2.2 密切注意盾構(gòu)掘進(jìn)過程中參數(shù)的變化，如盾構(gòu)機(jī)推力、刀盤扭矩及掘進(jìn)速度等參數(shù)的變化情況，切忌盲目追求進(jìn)度，當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)異常，如推力增大、掘進(jìn)速度明顯降低、刀盤扭矩波動較大時(shí)，必須及時(shí)停機(jī)進(jìn)行刀具檢查。
3.2.3 掘進(jìn)過程要盡可能的采用低土壓、低推力、高刀盤轉(zhuǎn)速的掘進(jìn)參數(shù)，同時(shí)要注意發(fā)泡劑、水或膨潤土溶液等添加劑的使用，這樣可以有效的降低刀盤扭矩，改善滾刀轉(zhuǎn)動性能，減少刀具受損，從而提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。
3.2.4 嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的變化，保證開挖面和刀盤面的平行，絕對禁止急糾猛調(diào)。
移站前后盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化大
200X年6月5日，某工地完成右線202環(huán)后，測量人員進(jìn)行移站，發(fā)現(xiàn)測量托架的坐標(biāo)和上次移站時(shí)有很大變化。重新測量各控制坐標(biāo)并啟動導(dǎo)向系統(tǒng)后，界面上顯示的盾構(gòu)機(jī)前點(diǎn)豎直偏差由-12變到-67。
 

 

參考文獻(xiàn)：
1、 海瑞克、三菱盾構(gòu)機(jī)刀具使用安裝要求
2、 張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構(gòu)隧道，2004，21：817～866
3、李茂文，劉建國等，長距離硬巖地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究
 

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